指纹识别技术大揭秘

指纹识别原理

电容传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同，来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹表面上时，因为嵴是凸起的峪是凹下，根据电容值与距离的关系，会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同，所以其放电的速度也不同。嵴下的像素（电容量高）放电较慢，而处于峪下的像素（电容量低）放电较快。根据放电率的不同．可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数据。

2 FPS110简介

FPS110指纹传感器芯片具有体积小、成本低、耗电小、安全性高等优点。可广泛应用于任何需要安全性认证的领域，如银行、计算机网络、指纹门禁、指纹考勤等许多方面，这无疑将取代原有的识别技术而成为二十一世纪识别技术应用的最新发展趋势。集成的A／D转换器可以建立与EPP、USB或MCU的数字接口，使得此器件可以很容易地应用到任何识别应用系统中去。扫描图像为8×280=2 240万像素精度．多达2 MH，相当于l 780帧每秒，l百万次手指无故障读指纹，低功耗，图像采集时为4．5 mA，导航时为1．5 mA，睡眠模式小于lO uA。引脚功能如表1所示。

图1 FPS110芯片各引脚功能

3 系统硬件设计

3．1 电源

电源电路为整个系统供电，并且电源有电压转换芯片， 可以5 V转3．3 V，3．3 V转1．8 V的系统要求，满足FPS110输入电压3 V～5．5 V和MCU处理芯片3．3 V电压供电的要求。

3．2 指纹采集

FPS110传感器的每一列都有两个采样一保持电路，一个用来存储放电前电容两端的电压，另一个用来存储放电后电容两端的电压。两个采样保持电路的差值可以度量电容的变化。该传感器的灵敏度可以通过调整放电时间和放电电流来校正，而对放电时间和放电电流的修改又可以通过读写传感器内部的放电电流寄存器（DCR）和放电时间寄存器（DTR）来进行。

3．3 MCU微处理器

采用NI公司MCU产品MSP430F1002，其内部高达8 kB的可重复编程快闪存储器、256字节只读存储器（RAM）、多通道脉宽调制（PWM）计时器、看门狗计时器和板上电池耗尽保护等。MSP430F12x2器件中集成的高速通用同步一异步收发器（USART）可以被置成用于UART或串行外设接口（SPI）中的任一模式。MCU和JTAG仿真器用一根JTAG线连接，再用软件的monitor，通过编程对FPSllO送来的信号进行处理。

4 串口通信

USB通信接口卡采用FTDI公司的FT8U245BM芯片，连接FPS110与MCU。它的主要功能一方面是将FPS110发送的控制命令、数据送到测试平台的主MCU，使测试平台完成各种测试任务；另一方面是将测试平台中多MCU系统的自检信息和测试结果送往FPSllO．以供FPS110进行判断与分析。

整个系统硬件框图如图l所示。

图1的硬件框图

因图像本身的存储量巨大，系统需外接存储器，以保证有足够的存储空间，把图像存储在U盘上。同时系统也可通过数据线和网络相连，实现远程控制功能。

当没有人触摸屏幕的时候MCU置于省电休眠模式。一旦用户有了输入，系统便退出低功耗状态，进入正常执行状态4，控制软件判断用户的需求，执行相应的功能。

图2 系统软件流程图

5 实验仿真

采用The MathWoks公司的MATLAB7．O图像处理箱进行数据仿真，计算机配置CPU为INTEL公司2．06 GZH，内存为Kingston公司的1GZH，平均一幅图像数据仿真耗时为O．73秒。识别率误差小于1／310 000，完全实际符合要求。图3为随机的一幅拇指指纹图像，图4为指纹库采集对应的图像。

6 结束语

利用FPS110指纹采集器实现数据采集，当使用者指纹与指纹库预设的比对指纹不能匹配时。拒绝使用者使用，可以作为辨别使用者的身份，或者代替手工输入密码，应用前景广泛。